“培育鉆石”的原材料金剛石（Diamond）的作用遠不止裝飾與消費，它不僅在加工石材、有色金屬、復(fù)合材料等方面有著不可替代的作用，還被行業(yè)冠以終極半導體材料的稱號。

早在二十年前，科學界就曾掀起研究金剛石半導體的熱潮，但時至今日，我們也未用上金剛石半導體所制造的器件，以致有工程師感嘆，金剛石永遠處在半導體實用化的邊緣。究竟有哪些難題阻礙了它發(fā)展，它會如何變革半導體行業(yè)？

不是每種金剛石都能造芯**

金剛石生長主要分為HTHP法（高溫高壓法）和CVD法（化學氣相沉積法），二者生長方法側(cè)重在不同應(yīng)用，未來相當長時間內(nèi)，二者會呈現(xiàn)出互補的關(guān)系。

對半導體來說，CVD法是金剛石薄膜的主要制備方法，而HPHT金剛石單晶也會在CVD合成法中充當襯底主要來源。

金剛石兩種主要生長方法對比，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《人工晶體學報》，力量鉆石招股書

其中，CVD法還細分為HFCVD、DC-PACVD、MPCVD及DC Arc Plasma Jet CVD四種生長方法。由于MPCVD法采用無極放電，等離子體純凈，是目前適合高質(zhì)量金剛石生長的方法，同樣也適用于高質(zhì)量金剛石外延及摻雜研究。

CVD的四種主要方法及應(yīng)用，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《人工晶體學報》

實際上，培育鉆石也會用到HTHP法和CVD法，但做半導體芯片的金剛石與造鉆石和造工具可不是一種：一是純度不同，二是需要進行摻雜。

更純的金剛石才能做半導體

早期的金剛石分類主要以其譜學特征分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型雜質(zhì)含量較高，對300nm以下的紫外光不透明，且在1430~500cm^-1^范圍內(nèi)有強吸收，Ⅱ型金剛石則純度較高，對上述波段完全透明。在Ⅰ型和Ⅱ型的基礎(chǔ)上，按氮（N）、硼（B）等雜質(zhì)種類和數(shù)量不同，繼而分為Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb等類型。

這種分類較為粗略，在機械和工具還是足夠的，如Ⅰb型金剛石大單晶 （黃色，氮含量約數(shù)百ppm）多用在熱沉、切割刀具、高精度機械加工等方面，優(yōu)質(zhì)Ⅱa型金剛石大單晶 （無色，氮含量小于1ppm）主要用作高功率激光的散熱片、紅外分光用的窗口材料、金剛石對頂砧等，Ⅱb型金剛石則利用其半導體特性擴展自身的應(yīng)用空間。

但這種分類方式對半導體來說明顯不夠精細，直到20世紀90年代出現(xiàn)光學級CVD的概念，后來陸續(xù)出現(xiàn)量子級、電子級、光學級、熱學級、力學級等稱謂。這些分級主要參考位錯密度和含氮量兩個參數(shù)，本質(zhì)上，空位和空位聚集形成的微孔洞及多晶高速生長中晶界連接形成的黑色組織是影響金剛石分級的主要因素。

CVD金剛石的分類及其缺陷要求

需要強調(diào)的是，金剛石分為單晶和多晶兩種。多晶金剛石一般用于熱沉、紅外和微波窗口、耐磨涂層等方面，但它不能真正發(fā)揮金剛石的優(yōu)異電學性能，這是由于其內(nèi)部存在晶界，會導致載流子遷移率及電荷收集效率大幅度降低，使得其所制備的電子器件性能受到嚴重抑制。單晶金剛石則不會有這種顧慮，一般用于探測器（如紫外探測器、輻射探測器）和功率器件（如場效應(yīng)晶體管、二極管）等關(guān)鍵領(lǐng)域。

舉個例子來說，曾經(jīng)光伏行業(yè)一度呈現(xiàn)單晶硅和多晶硅分天下的格局，但當單晶硅成本急劇下降后，多晶硅的成本優(yōu)勢弱化，逐漸淡出競爭，轉(zhuǎn)向特定領(lǐng)域。金剛石半導體是同樣的道理，單晶性能更好但成本會較高，多晶會在成本敏感應(yīng)用領(lǐng)域具備價值，同時一些器件也只能使用單晶金剛石。